Войти
Фотоэмиссионная электронная микроскопия (PEEM, также называемая фотоэлектронной микроскопией, PEM ) представляет собой тип электронной микроскопии, который использует локальные изменения в электронной эмиссии для создания контраста изображения. Возбуждение обычно производится источниками ультрафиолетового света, синхротронного излучения или рентгеновского излучения. PEEM измеряет коэффициент косвенно, собирая испускаемые вторичные электроны, генерируемые в электронном каскаде, который следует за созданием первичной дырки в ядре в процессе поглощения. ПЭИМ - это поверхностно-чувствительный метод, поскольку испускаемые электроны происходят из мелкого слоя. В физике этот метод называется PEEM, который естественно сочетается с дифракцией низкоэнергетических электронов (LEED) и электронной микроскопией низких энергий (LEEM ). В биологии это называется фотоэлектронной микроскопией (PEM), которая соответствует фотоэлектронной спектроскопии (PES), просвечивающей электронной микроскопии (TEM) и растровой электронной микроскопии (SEM).
Ранний фотоэлектронно-эмиссионный микроскоп E. Brüche at AEG, Берлин, воспроизведено из его статьи 1933 года В 1933 году Эрнст Брюхе сообщил об изображениях катодов, освещенных УФ-светом. Эту работу продолжили два его коллеги, Х. Маль и Дж. Поль. Брюхе сделал набросок своего фотоэлектронно-эмиссионного микроскопа в своей статье 1933 года (рис. 1). Очевидно, это первый фотоэлектронный эмиссионный микроскоп (ФЭМ).
В 1963 г. Г. Ф. Ремпфер разработал электронную оптику для первого ПЭИМ в сверхвысоком вакууме (СВВ). В 1965 году Дж. Берроуз из Лаборатории ночного видения в Форт-Белвуар, штат Вирджиния, построил запекаемые электростатические линзы и клапаны с металлическим уплотнением для PEEM. В течение 1960-х годов в PEEM, а также в TEM образцы были заземлены и их можно было переносить в среде сверхвысокого вакуума в несколько позиций для формирования фотокатода, обработки и наблюдения. Эти электронные микроскопы использовались недолго, но компоненты продолжают жить. Первый коммерчески доступный PEEM был разработан и испытан Энгелем в 1960-х годах для его дипломной работы под заголовком Э. Ruska и разработал его в рыночный продукт, названный «Metioskop KE3», Бальцерсом в 1971 году. Электронные линзы и делитель напряжения PEEM были включены в одну версию PEEM для биологических исследований в Юджине, штат Орегон, примерно в 1970 году..
В течение 1970-х и 1980-х годов были созданы микроскопы второго поколения (PEEM-2) и третьего поколения (PEEM-3). PEEM-2 - это обычный инструмент без коррекции аберраций, в котором используются электростатические линзы. В нем используется охлаждаемое устройство с зарядовой связью (CCD), соединенное волокном с люминофором для обнаружения электронно-оптического изображения. В микроскопе с коррекцией аберраций PEEM-3 используется изогнутое электронное зеркало для противодействия аберрациям низшего порядка электронных линз и ускоряющего поля.
Фотоэмиссия или фотоэлектрический эффект - это квантово-электронное явление, при котором электроны (фотоэлектроны) испускаются из вещества после поглощения энергии от электромагнитного излучения, такого как ультрафиолетовый свет или рентгеновские лучи.
Когда ультрафиолетовый свет или рентгеновские лучи поглощаются веществом, электроны возбуждаются с уровней ядра в незанятые состояния, оставляя пустые состояния ядра. Вторичные электроны генерируются распадом основной дыры. Оже-процессы и неупругое рассеяние электронов создают каскад низкоэнергетических электронов. Некоторые электроны проникают через поверхность образца и уходят в вакуум. Излучается широкий спектр электронов с энергиями между энергией освещения и работой выхода образца. Такое широкое распределение электронов является основным источником аберраций изображения в микроскопе.
Фотоэлектрический эффект 
Схематическое изображение процесса фотоэмиссии Используя метод Эйнштейна, используются следующие уравнения: Энергия фотона = Энергия, необходимая для удаления электрона + Кинетическая энергия испускаемый электрон
h - постоянная Планка;
f - частота падающего фотона;
- это работа выхода ;
- максимальная кинетическая энергия выброшенных электронов;f0- пороговая частота возникновения фотоэлектрического эффекта ;
m - масса покоя вылетевшего электрона;
vm- скорость выброшенного электрона.
Электронно-эмиссионная микроскопия - это тип электронной микроскопии, в которой пучок электронов, несущий информацию, исходит от образца. Источником энергии, вызывающим эмиссию электронов, может быть тепло (термоэлектронная эмиссия), свет (фотоэлектронная эмиссия), ионы или нейтральные частицы, но обычно исключаются полевые эмиссии и другие методы, включающие точечный источник или зондовую микроскопию.
Фотоэлектронная визуализация включает любую форму визуализации, в которой источником информации является распределение точек, из которых электроны выбрасываются из образца под действием фотонов. В настоящее время методом фотоэлектронной визуализации с самым высоким разрешением является фотоэлектронная эмиссионная микроскопия с использованием ультрафиолетового света.
Фотоэмиссионный электронный микроскоп - это прибор для параллельной визуализации. Он создает в любой момент полную картину распределения фотоэлектронов, испускаемых из отображаемой области поверхности.
Наблюдаемая область образца должна быть равномерно освещена соответствующим излучением (от ультрафиолетового до жесткого рентгеновского). УФ-свет является наиболее распространенным излучением, используемым в ПЭИМ, потому что доступны очень яркие источники, такие как ртутные лампы. Однако, если требуется аналитическая информация, предпочтительны другие длины волн (например, мягкое рентгеновское излучение).
Схема фотоэмиссионного электронного микроскопа Электронно-оптическая колонка содержит две или более электростатических или магнитных электронных линз, корректирующие элементы, такие как стигматор и дефлектор, ограничивающий угол апертура в задней фокальной плоскости одной из линз.
Как и в любом эмиссионном электронном микроскопе, разрешение определяется объективом или катодной линзой. Последнее зависит от электронно-оптических свойств, таких как сферические аберрации, и энергетический разброс фотоизлученных электронов. Электроны испускаются в вакуум с угловым распределением, близким к функции косинуса-квадрата. Существенная составляющая скорости, параллельная поверхности, снизит разрешение по горизонтали. Более быстрые электроны, покидающие поверхность точно вдоль центральной линии PEEM, также будут отрицательно влиять на разрешение из-за хроматической аберрации катодной линзы. Разрешение обратно пропорционально силе ускоряющего поля на поверхности, но пропорционально энергетическому разбросу электронов. Таким образом, разрешение r приблизительно равно:
Типичный фотоэмиссионный электронный микроскоп В уравнении d - расстояние между образцом и объективом, ΔE - ширина распределения исходных энергий электронов, а U - ускоряющее напряжение.
Помимо катода или линзы объектива, расположенных в левой части рисунка 4, используются еще две линзы для создания изображения образца: промежуточная трехэлектродная линза используется для изменения общего увеличения между 100 ×, если объектив отключен, и до 1000 × при необходимости. В правой части рисунка 4 изображен проектор - трехэлектродная линза в сочетании с двухэлементной тормозной линзой. Основная задача этой комбинации линз - замедление быстрых электронов с энергией 20 кэВ до энергий, для которых канальная пластина имеет максимальную чувствительность. Такой усилитель изображения лучше всего подходит для столкновения с электронами с кинетической энергией примерно 1 кэВ.
Энергетический фильтр может быть добавлен к прибору для отбора электронов, которые будут вносить вклад в изображение. Эта опция особенно используется для аналитических приложений PEEM. Используя энергетический фильтр, микроскоп PEEM можно рассматривать как изображение ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии (UPS) или рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). Используя этот метод, можно получить спектры фотоэмиссии с пространственным разрешением в масштабе 100 нм и с разрешением ниже эВ. С помощью такого прибора можно получить элементарные изображения с картами чувствительности химического состояния или работы выхода. Кроме того, поскольку фотоэлектроны излучаются только на самой поверхности материала, могут быть получены карты завершения поверхности.
Детектор размещается в конце электронно-оптической колонны. Обычно люминофорный экран используется для преобразования электронного изображения в фотонное. Выбор типа люминофора определяется соображениями разрешения. Многоканальный пластинчатый детектор, который отображается камерой CCD, может заменить люминофорный экран.
По сравнению со многими другими методами электронной микроскопии ПЭИМ с временным разрешением предлагает очень высокое временное разрешение, составляющее всего несколько фемтосекунд, с перспективой перехода к аттосекундному режиму. Причина в том, что временное расширение электронного импульса не ухудшает временное разрешение, поскольку электроны используются только для достижения высокого пространственного разрешения. Временное разрешение достигается за счет использования очень коротких световых импульсов в установке «накачка-зонд». Первый импульс оптически возбуждает динамику, подобную поверхностным плазмонам на поверхности образца, а второй импульс исследует динамику после определенного времени ожидания путем фотоэмиссии электронов. На скорость фотоэмиссии влияет локальный уровень возбуждения образца. Таким образом, можно получить пространственную информацию о динамике образца. Повторяя этот эксперимент с рядом времен ожидания между импульсом накачки и зондирующим импульсом, можно записать фильм динамики на образце.
Лазерные импульсы в видимом спектральном диапазоне обычно используются в сочетании с PEEM. Они предлагают временное разрешение от нескольких до 100 фс. В последние годы для достижения более прямого доступа к мгновенному возбуждению электронов в материале используются импульсы с более короткими длинами волн. Здесь первый импульс в видимой области спектра возбуждает динамику вблизи поверхности образца, а второй импульс с энергией фотонов, значительно превышающей работу выхода материала, излучает электроны. За счет использования дополнительной записи времени пролета или высокочастотной энергии в PEEM, информация о мгновенном электронном распределении в наноструктуре может быть извлечена с высоким пространственным и временным разрешением.
Все еще продолжаются усилия по достижению аттосекундного временного разрешения и прямой записи оптических полей вокруг наноструктур с пока недостижимым пространственно-временным разрешением.
.
Общее ограничение PEEM, которое является общим для большинства методов науки о поверхности, состоит в том, что PEEM работает только в достаточно ограниченных условиях вакуума. Всякий раз, когда электроны используются для возбуждения образца или переноса информации с его поверхности, должен быть вакуум с подходящей длиной свободного пробега для электронов. При использовании методов ПЭИМ in-situ вода и водный раствор можно наблюдать с помощью ПЭИМ.
Разрешение ПЭИМ ограничено примерно 10 нм, что является результатом разброса угла эмиссии фотоэлектронов. Фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES ) - мощный инструмент для структурного анализа. Однако выполнение измерений ПЭИМ с угловым разрешением и селективностью по энергии может оказаться затруднительным из-за недостаточной интенсивности. Доступность источников света синхротронного излучения может открыть в этом отношении захватывающие возможности.
Просвечивающая электронная микроскопия (TEM ) и сканирующая электронная микроскопия (SEM ): PEEM отличается от этих двух микроскопий тем, что использует электрическое ускоряющее поле на поверхности образца. Образец является частью электронно-оптической системы.
Низкоэнергетическая электронная микроскопия (LEEM ) и зеркальная электронная микроскопия (MEM): в этих двух электронно-эмиссионных микроскопах используются пучки питания электронной пушки, которые направляются на образец, замедляются и рассеиваются обратно от образец или отраженный непосредственно перед тем, как достичь образца. В фотоэмиссионной электронной микроскопии (ПЭМ) используются образцы той же геометрии и иммерсионные линзы, но без электронных пушек.
Фотоэмиссионная электронная микроскопия с временным разрешением (TR-PEEM) хорошо подходит для наблюдения в реальном времени быстрых процессов на поверхностях, оборудованных импульсным синхротронным излучением для освещения.
